3Dプリンティングとインテリジェント製造 - 中国工程院の院士、陸炳恒氏が答えた

習近平総書記は「危機感を高め、世界の科学技術革新の発展動向を鋭く把握し、新たな科学技術革命と産業変革のチャンスをしっかりと捉え、有効活用しなければならない」と強調した。現在、情報技術と製造技術の深い融合を特徴とするインテリジェント製造モデルは、製造業全体に大きな変化を引き起こしている。 3Dプリンティングは、製造業における代表的な破壊的技術として、世界中の国々が将来の産業の主導権を握るための焦点領域になりつつあります。中国の製造業を大規模から強力へと推進し、インテリジェント製造業への変革を実現するには、認知3Dプリンティングとインテリジェント製造を理解する必要があります。 3Dプリンティングとインテリジェント製造 - 中国工程院の院士、陸炳衡氏が答えた。

Q: こんにちは、呂院士。あなたは我が国の機械製造および自動化の分野で著名な科学者として、中国における3Dプリントなどの先進的な製造技術の研究を提唱し、先駆的に進めてきました。 3D プリントとは何か教えてください。

陸炳衡：製造方法の観点から見ると、製造技術は3つのカテゴリーに分けられます。
鋳造、鍛造、溶接の工程を経ても重さは基本的に変わらない、同じ材質で作られており、3000年の歴史があります。
1つは、旋盤、フライス加工、平削り、研削盤で材料を除去して設計された形状を実現する減算的製造法で、300年の歴史があります。
もう一つは、製造工程で少しずつ材料を追加して目的の形状を形成する積層造形法で、まだ30年ほどの歴史しかありません。

3D プリントは積層製造技術です。原理は、コンピューターで設計された 3 次元モデルを複数の平面スライスに分解し、スライスパターンに従って印刷材料を 1 層ずつ積み重ね、最終的に完全なオブジェクトに積み重ねることです。

3D プリンティングは、米国国立科学財団によって 20 世紀で最も重要な製造技術革新と呼ばれている破壊的な革新技術です。マッカーシー報告書は、人間の生活に破壊的な影響を及ぼす12の技術を挙げており、3Dプリンティングは新素材やシェールガスを上回り、9位にランクされています。マッカーシーレポートは、3Dプリンティングが2030年までに世界で約1兆ドルの利益をもたらすと予測しています。 2015 年のマッカーシー報告書では、このプロセスがさらに前進し、付加製造によって 2020 年までに 5,500 億ドルの利益が達成できる可能性があると示唆しました。

Q: 3D プリントは破壊的な革新的技術だとおっしゃいましたが、従来の製造技術と比較した特徴や利点は何でしょうか?

Lu Binheng：3D プリントには多くの特徴と利点があります。
3D プリンティングには幅広い用途があります。 3D プリントは、さまざまな材料、複雑な形状、バッチサイズを印刷できます。さまざまな産業や生活分野に適用でき、工場、オフィス、家庭で製造できます。理論的には、3D プリントはあらゆる場所で利用でき、あらゆることが可能になります。しかし、多くの材料の印刷、プロセスの成熟度、印刷コスト、効率などはまだ満足できるものではなく、それらをより良く、より速く、より安くするためには、学際的な革新的研究が必要です。

3D プリンティングは迅速な製品開発をサポートします。 3D プリントでは複雑な形状の部品を製造でき、望むものを何でも手に入れることができます。設計データによって直接駆動されるため、従来の製造に必要なツール、固定具、金型製造などの生産準備が不要で、プログラミングが簡単になります。特に製品イノベーション設計や設計検証に便利で、製品開発サイクルとコストを少なくとも半分に削減できます。 3D プリンティングは、電気機械製品や機器の急速な開発のための強力なツールとなっています。

3D プリントは材料を節約する製造技術です。航空宇宙などの大型で複雑な構造部品は、従来、切削加工によって加工されており、高価な材料の 95% ～ 97% が除去されています。それに比べて、3D プリンティングでは必要な場所にのみ材料を配置するため、材料利用率はほぼ 100% になります。 3D プリントにより、材料費と製造コストが大幅に節約されます。航空宇宙機器の研究開発・製造において極めて重要な価値を持っています。

3D プリントはパーソナライズされた製造技術です。 3D プリンティングは、単一部品の製造を迅速かつ低コストで実現できるため、単一部品の製造コストが大量生産のコストに近くなります。したがって、3D プリントは、人工骨、手術モデル、整形外科ナビゲーションテンプレートなどのパーソナライズされた医療やハイエンドの医療機器に特に適しています。 3D プリンティングは、航空機エンジンのブレードや圧延機のローラーなど、摩耗した部品の修理や再製造に使用できる再製造技術でもあります。非常に低コストで大きな価値を提供できます。したがって、3D プリントは、武器、外洋船舶、海洋掘削プラットフォーム、さらには宇宙ステーションの現場での製造において特別な利点があります。

3D プリントは革新的なデザインのための新たな空間を切り開きます。 3D プリンティングは、従来の製造技術では実現できない構造を製造できるため、デザイン革新のための大きな余地が生まれます。数十、数百、あるいはそれ以上の部品から組み立てられた製品を 1 つの統合ユニットで製造できるため、製造プロセスが大幅に簡素化され、製造および組み立てコストが節約されます。新しい 3D プリント技術の観点から製品や機器を再設計することは、3D プリントが製造業にもたらす最大のメリットかもしれません。注目すべきは、過去 2 年間で 3D プリンティングが破壊的な変化を見せてきたことです。例えば、GE 社製の航空機エンジンのノズルは 20 個の部品を 1 つに統合することで、材料費を大幅に削減し、燃料を 15% 節約します。これはエンジンの世代のコンセプトです。かつては、エンジンの各世代の開発に数億ユーロの費用がかかっていましたが、今ではノズルでその問題を解決できます。アメリカの3Dプリントコンセプト航空機は重量を65%削減できる。

3D プリントは生産モデルの変化をもたらします。将来的には、3D プリントは、ウェアラブルエレクトロニクス、家庭用品、文化産業、衣服デザインなどの業界向けのパーソナライズされたカスタマイズされた生産モデルになる可能性があります。専門家の中には、3Dプリントなどのデジタル設計・製造が大量生産からパーソナライズされたカスタマイズへと第3次産業革命を導くとさえ考えている人もいます。

3D プリントはメーカーにとって最も人気のあるツールです。 GEは3Dプリンティングに挑戦し、メーカーに航空機の部品を設計させるというメッセージをオンラインに投稿した。優勝者は、元の構造のわずか 1/6 の重量ですべてのテストを完了し、設計者は 19 歳の若者でした。 3D プリンティングは、すべての人にとってのイノベーションへの道を示しています。さらに、インターネット+ 3Dプリントの製造モデルも注目に値します。大衆のパーソナライズされたニーズを収集し、メーカーが設計を完成させ、設計計画を3Dプリントで検証し、仮想製造で生産し、モノのインターネットで配布します。このアメリカのクラウドイノベーション企業には、15,000 人の来場者と 6,000 人のメーカーがいます。 Amazon はインターネットを利用して 3D プリント製品を販売しており、売上高は数十億ドル、利益は 30% に達しています。将来、わが国にとって、インターネット + 3D プリンティングは、大衆の起業とイノベーションを促進する上でのハイライトとなるでしょう。

3D プリントは材料の作成と創造に役立ちます。材料の創造の面では、3Dプリントによって3315℃の温度に耐えられる高温合金が作られ、ドラゴン2号宇宙船に使用され、宇宙船の推力が大幅に向上しました。 3Dプリント高エネルギービームの集中エネルギーを活用し、3Dプリント装置を材料ゲノムプロジェクトの研究検証プラットフォームとして使用することで、超高強度、超高靭性、超高温耐性、超高耐摩耗性を備えたさまざまな優れた材料を開発でき、積層造形を創造的な材料技術に変えることができます。創造の面では、3Dプリンティングは組織スキャフォールド製造、細胞印刷などの分野に応用され、生物学的に活性な臓器の製造を実現しており、ある意味では生命を創造していると言えます。 3D プリンティングは生命科学の研究と人間の健康に役立ちます。先ほど申し上げた3Dプリンティングは、迅速な製品開発、材料の節約、パーソナライズされた製造や再製造をサポートし、現在、実用化されつつあります。今後は、さまざまな標準を確立し、より広く利用され、より大きな利益をもたらすことが研究の焦点となります。

3D プリントは革新的な設計のための新たな空間を開き、生産モデルの変革をリードします。これは、現在および将来にわたって継続的かつ深く研究する必要がある重要な方向性です。今後 5 ～ 15 年で重要な利益がもたらされるでしょう。製造業では徐々に量的変化が起こり、製品の約半分が個別にカスタマイズされて生産されるようになります。 3D プリンティングの材料創造と創造の側面は、将来の材料科学技術、生命科学技術、新材料と生命科学の開発にも新たな方向性を提供します。

Q: 現在、世界各国は3Dプリンティングを非常に重視しており、我が国もこの分野の研究の基盤が整っています。私の国における3Dプリント技術の現在の開発状況を紹介していただけますか？

陸炳衡：その通りです。 3Dプリントに関する科学研究に関して言えば、わが国は比較的早くから研究を開始しており、1990年代初頭には清華大学、西安交通大学、華中科技大学が研究を開始し、「第9次5カ年計画」期間中に、当時の主流技術のいくつかとその製造プロセス、ソフトウェアとハードウェアの制御技術を基本的に習得し、これらの技術設備を開発し、普及と応用を行っていました。 1990年代後半、北京航空航天大学、西北工業大学などの研究機関は、鍛造品に匹敵する性能を持つ大型部品を生産できる金属材料の付加製造の研究を始めました。

現在、我が国は自国の大型金属3Dプリント設備を活用して、航空機の大型荷重支持部品の応用において国際的に主導的な地位を占めており、軍用機や大型航空機の研究開発において緊急チームの役割を果たしています。さらに、航空機の着陸装置やC919の研究開発に、大型チタン合金構造部品が初めて採用されました。中国の3Dプリンティング研究は現在、国際的に最先端にあると言え、論文数や特許出願数は世界第2位となっている。応用面では、我が国の工業用設備の設置能力は世界第4位ですが、金属印刷用の商用設備はまだ比較的弱く、主に輸入に頼っています。私の国では、非金属産業用プリンターの 60% 以上が中国に拠点を置いています。

小型FDMプリンターは大量輸出されており、販売量は世界トップクラスです。しかし、レーザー、光学ガルバノメーター、ダイナミックフォーカスレンズ、プリントヘッドなど、国内の産業用機器の主要部品は、依然として主に輸入に依存しています。工業用3Dプリント材料の研究はまだ始まったばかりで、強力な研究開発能力を持ち、少量の材料を開発した数社を除いて、3Dプリント材料は基本的に輸入されています。

産業発展の観点から見ると、我が国の発展はまだ遅すぎます。米国には最大規模の 3D プリント企業が 2 社あり、2015 年には 10 億ドル近くの規模に達しました。当社は基本的に学校経営の企業としてスタートし、最大生産額は1億人民元を超えています。輸入機器は現在、中国市場を積極的に「攻め」ている。金属印刷装置については、海外では材料、ソフトウェア、装置、工程を一体化したセット販売を実施しています。独自のイノベーションチェーンと産業チェーンを構築するために、コア技術とオリジナル技術を開発する必要があります。中国にはすでにいくつかの3Dプリント企業が上場しており、技術と資本が融合し始めており、これは良いスタートです。

現在、3D プリント技術は、技術爆発、産業の立ち上げ、企業の「土地獲得」の時期にあります。標準に関する研究を加速させる必要があります。3D プリントのデータ標準は機器とアプリケーションの両方に影響を与える可能性があり、この点については発言権を持つべきです。航空部品や高級医療機器の分野では、新技術の応用を促進するために、3Dプリントされたパーソナライズ製造製品へのアクセス基準を積極的に研究する必要があります。基礎研究を強化し、独創的な技術を開発し、3Dプリントの新材料の研究開発におけるイノベーションを実現し、印刷部品の品質と印刷効率を大幅に向上させなければなりません。企業にコア技術と共通技術を提供するイノベーションシステムを確立しなければなりません。重要なコアコンポーネントを克服し、産業チェーンを構築しなければなりません。金融資本を導き、3Dプリント企業がより大きく強く成長し、国際競争力のある規模の企業を数多く形成できるようにしなければなりません。

Q: 3D プリンティングに代表される高度な製造技術は、我が国の製造業を大規模から強力へと推進し、インテリジェント製造へと変革させています。私の国のインテリジェント製造業についてどう思われますか? 私の国の製造業の発展のために、どのような提案がありますか?

陸炳衡：中国、ドイツ、アメリカを比較してください。ドイツの産業上の優位性は、高品質、強固な基盤、そして厳格な技術です。
米国の優位性は、社会的革新、ハイテクの優位性、世界的な資源とエリートの統合である。
中国の重要な利点は、比較的完成された産業システム、巨大な国内需要市場、そして豊富な人的資源です。

現状の段階的ギャップに直面して、私たちはインダストリー4.0を開発しながら、インダストリー2.0と3.0の欠点（品質第一、ロボットやハイエンドCNC工作機械などの自動化技術）を補う必要があります。そのため、追いつくと同時に追い越す必要があり、政府は科学的かつ強力な規制の役割を果たして、限られた社会資源をプールし、共同イノベーションを実行する必要があります。

当社の巨大な市場需要を保護し、最大限に活用して、当社の機器製造を導き、サポートする必要があります。ある分野の需要が機器分野の発展を促進することもあります。例えば、航空宇宙や自動車分野における高性能 CNC 工作機械の需要などです。大型航空機、二機プロジェクト、軍事技術転換の機会をどのように活用し、我が国の工作機械産業を後押しし、同時にハイエンド装備の強固な発展基盤を形成できるでしょうか。プロジェクトの調達では、情報セキュリティのために一票の拒否権制度を採用することをお勧めします。さまざまな計画や産業の相互連携と協調発展は、わが製造業が真剣に検討すべき課題です。

我が国はドイツや米国の道を参考にして、我が国の国情に適し、「中国製造2025」の使命を達成できる道を模索することができます。社会イノベーション資源を調整し、業界に中核技術や共通技術を提供できるイノベーションセンターを複数構築します。科学技術リソースの無駄や低レベルの反復研究を避けます。

産学研究連携においては、企業が主体であることを正しく理解する必要がある。企業は研究開発、応用、成果の統合への投資の主体となるべきである。科学研究機関、人材、企業の革新的熱意を結集し、引き出すために、産学研究の長期的な協力メカニズムが形成されます。社会全体の調整メカニズムについては、科学技術計画の調整を強化し、技術の成熟度に応じて各省庁間の分担と協力を進め、各種計画のリレーシステムを形成します。国家の科学研究計画は、標準と基礎研究を優先し、産業化のための共通技術を重視し、革新的なアイデアと発明特許を評価の基礎として使用する必要があります。

金融、技術、産業の連携の観点から製造業の資金調達環境を改善する。金融資金をより多く、より速く実体経済と潜在的先進製造業に流入させ、イノベーションへの金融支援を強化し、イノベーション勢力がタイムリーな金融支援を受けられるようにする方法は、「中国製造2025」の円滑な実施における重要な鍵となる問題である。

人材コラボレーションの面では、イノベーションとエンジニアリング能力の開発を導くために、正しい主題評価基準を確立する必要があります。私たちは、科学研究者が製品や機器に関する論文をもっと書くべきだと主張しています。「中国製造2025」では、製造技術に精通し、インターネット思考を持ち、社会革新資源をフル活用できるインダストリアル4.0時代の起業家や技術リーダーの育成も必要だ。革新的な社会には、科学に強い関心を持ち、革新への強い欲求を持つマスク氏のような、メーカーやオタクも多数必要です。

「中国製造2025」の主な焦点と推進技術は、インテリジェント製造の開発です。スマート製造は、主に産業用インターネットと基盤となるインテリジェンスの 2 つの部分で構成されます。

産業インターネットの面では、マスメーカーネットワーク、CAD/CAE/CAMデジタル製造サービスネットワーク、3Dプリント、性能試験サービスネットワークを形成し、クラウドソーシングを通じて製品開発とデジタル製造を完結する必要があります。産業インターネットを活用してハイテクサービス産業を形成し、新しいメカニズムを備えたイノベーションシステムを構築し、知識と情報の流れを促進します。会社のリソースは限られています。インターネットを活用して、全国、社会、さらには世界中の才能とリソースを結集し、社会リソースの最適な組み合わせを実現すること、これがインテリジェント製造の真髄です。工場の壁の外へ出てみましょう。知識を流通させ、中国の製造業における弱い発展能力の欠点を補う。これが、インターネットが製造業の発展を推進する真の意味であり、最大のメリットです。

基礎となるインテリジェンスとしては、主にロボット、インテリジェント製造設備、3D プリンティングなどが含まれます。ロボットは、生産の柔軟性を高め、効率を改善し、コストを削減するためのツールです。インテリジェントな工作機械の鍵となるのは、情報の取得、プロセス最適化ソフトウェア、プロセス品質管理です。インテリジェント工作機械は、加工状態を監視し、加工された部品の精度を判断および制御できます。処理品質と効率を飛躍的に向上させることができます。デジタル設計と 3D プリンティングでは、設計が製品革新の価値を生み出す鍵となります。ハイエンドのサービス業界では、設計ツール、設計者、製品構造の CAE 分析が提供され、3D プリントは設計を検証する迅速な手段となります。 3D プリントは製品開発サイクルとコストを 1/3 ～ 1/5 に削減でき、カスタマイズされた生産モデルをサポートします。特に重要なのは、3D プリントによってデザイナーが製造上の多くの制約から解放され、デザイン革新の余地が大きく広がることです。ロボットが今日のテクノロジーであるなら、3D プリントは今日、明日、そして明後日にもさらに大きな影響を与えるテクノロジーです。インターネット＋先進的な製造業＋現代のサービス産業は、製造業に明るい未来をもたらすことができます。製造業の将来性は、製造業の半分以上がパーソナライズ化・カスタマイズ化され、価値の半分以上が革新的なデザインに反映され、企業業務の半分以上がクラウドソーシングで完結し、革新的な研究開発の半分以上がオタクやメーカーによって実現されることです。

出典：スタディタイムズ
著者: Shi Wei、Li Hong

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